矿用运输绞车自动排绳装置的设计与研究

赵俊波

（潞安集团司马煤业有限公司，山西 长治 047105）

矿用运输绞车是井下主要运输设备，绞车钢丝绳排绳混乱，堆绳、咬绳时常发生，使得绞车冲击大，对钢丝绳产生塑性形变，容易发生断绳事故。本文针对司马煤矿1211工作面采用的SDJ-20绞车，对钢丝绳运动状态进行了分析，设计了绞车电磁离合式自动排绳装置，对其工作原理和组件选型进行了分析，实现矿用绞车钢丝绳的自动排列。

1 滚筒钢丝绳自动排绳分析

1.1 钢丝绳螺旋运动

钢丝绳绕滚筒运行过程中，滚筒宽度有限，使得钢丝绳需要在滚筒缠绕多层，采用螺旋运动方式缠绕可使其均匀排列，这种排列方式要求钢丝绳缠绕方向与滚筒存在一定角度，此倾角对于钢丝绳排列情况影响较大。

1.2 滚筒钢丝绳运动分析

根据绞车轨迹，滚筒上钢丝绳为螺旋线形状轨迹，将一段滚筒钢丝绳展开后获得螺旋三角形如图1所示。钢丝绳运行过程中轴向分量和径向分量符合此三角形规律。钢丝绳径向分量应超过层摩擦张力、驱动力和弯曲力总和。钢丝绳工作时入绳角度会不稳定，只有符合三角形规律时合力垂直母线，才能避免挤压、堆绳情况的发生。所以可人工对钢丝绳施加力矩，使钢丝绳满足三角形规律，每缠绕一圈后排绳装置轴向平移一定距离维持排列的均匀程度。

图1 钢丝绳展开的螺旋线三角形

钢丝绳运动过程中螺旋升角可通过公式计算，速度和张紧力满足三角形规则，表达式如下：

式中：

d-钢丝绳直径；

Dn-滚筒缠绕半径；

Vr-钢丝绳速度径向分量；

VL-钢丝绳速度轴向分量；

Fr-钢丝绳受张力的径向分量；

FL-钢丝绳受张力的轴向分量。

2 自动排绳设计

机械式排绳装置是利用专用机构使钢丝绳每绕一圈横移一步，排满后反向横移。常用机械式排绳包括凸轮、丝杠和液压排绳机构。凸轮排绳机构通过凸轮带动夹绳装置往复运动，其成本较低，但磨损精度不容易控制，使得排绳效果降低；丝杠排绳机构利用双向丝杠实现排绳，排绳效果好，但对组件加工精度要求高；液压排绳机构是控制比例阀开度来实现钢丝绳排列，系统体积大，应用不便。三种传统排绳装置结构示意图如图2所示。

基于传统排绳机构的缺点，本文提出了新型电磁离合器式排绳机构，综合机械电气等优点实现平稳排绳控制。将夹绳机构与钢丝绳卷筒水平，钢丝经过夹绳机构后缠入滚筒，拉紧了钢丝绳从而减小了钢丝绳上摩损。通过控制齿轮机构传动比来保证钢丝绳横移距离，电磁离合器用于控制左右换向。

2.1 自动排绳原理

此自动排绳装置组件包括夹绳器、丝杠、导轨、电磁离合器和减速器等，其工作原理如图3所示。夹绳装置装在丝杠上，转动丝杠依靠电磁离合器连接减速齿轮，进而实现与滚筒齿轮的连接，丝杠两端设计限位开关。滚筒转动后，齿轮负责传递转矩，左右电磁离合器负责接通给丝杠，假如左侧离合器结合右侧分离，那么左侧转矩传给丝杠使丝杠转动，夹绳机构向右水平移动，到达右侧后限位开关结合右侧离合器并分离左侧离合器，实现夹绳装置的反向平移。

夹紧装置的水平换向是依靠电磁离合器得、失电实现，换向原理如图4所示。限位开关4被按下，K2触点闭合，使得电磁离合器5结合，螺杆连接齿轮转矩，排绳滑轮右移，到达右端后触发限位板3，使换向导杆2向右移动，限位开关K1触点结合，4开关被抽出，K2分离，断开电磁离合器5，接通电磁离合器9，螺杆实现反转，使排绳装置返回左端，由此完成了换向。

图3 自动排绳装置工作原理

2.2 排绳系统部件选型

（1）电磁离合器选型

电磁离合器选型应计算动态转矩、负载转矩，动态转矩可根据其加速和减速的时间以及制动部分转动惯量来确定，计算公式为：

式中：

t-机械连接时间；

t1-转矩增大的时间；

J-制动部分转动惯量；

n-旋转体转速。

负载转矩是从动侧转矩，通过测量计算求得，可用旋转力与力臂乘积计算出。额定转矩的计算应考虑安全系数，一般安全系数大于2。通过计算丝杠与夹绳机构摩擦力、钢丝绳压力，根据电磁离合器额定转矩，最终本文选取DLY0-16/16A牙嵌式离合器。

图4 夹绳装置换向原理

（2）限位开关选型

根据本文研究的绞车工作环境及要求，选取AL-DB206BD00型保持型重载限位开关，可实现体积小、可靠度高、耐冲击等性能要求。

综合选型后将此自动排绳装置进行试验对比，通过实地应用，结果显示此排绳装置能够整齐将钢丝绳排列，乱绳现象明显降低，保护了钢丝绳的使用。

3 结论

本文针对传统矿用运输绞车工作过程中钢丝绳容易出现堆绳、混乱等问题，对滚筒运行过程进行了分析，设计完成了新型自动排绳装置，现场应用表明自动排绳装置解决了运输绞车排绳乱、堆绳、咬绳问题，降低了钢丝绳的损失率，提高了矿井运输安全程度，提高了煤矿生产可靠水平。